Leite sem lactose como agente encapsulante de probiótico pelo método de spray drying e seu comportamento em processos de crioconcentração

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2021.

Estima-se que o quadro de intolerância à lactose (seja ela temporária ou permanente) aflige parte considerável da população mundial. Os números relatados na literatura variam entre 65 e 75%. Buscando criar alternativas para essa demanda, assim como simplesmente oferecer novas possibilidades para quem não deseja consumir lactose, este trabalho investigou o potencial do leite sem lactose em tecnologias emergentes e inovadoras. Nesse sentido, o trabalho experimental foi desenvolvido em três grandes etapas: Primeiramente, leite desnatado sem lactose foi utilizado como matriz de encapsulação de uma bactéria probiótica (Bifidobacterium BB-12). Não somente o leite, como também carboidratos prebióticos (oligofrutose e inulina) foram empregados no processo de microencapsulação por spray drying. Os pós obtidos foram sujeitos às análises de rendimento de encapsulação, viabilidade microbiana durante armazenamento (temperatura de refrigeração e temperatura ambiente), e sobrevivência do probiótico durante passagem pelo sistema gastrointestinal. Num segundo momento, os pós também foram caracterizados quanto às suas propriedades físico-químicas. Para isso, extensas avaliações foram feitas, dentre elas: estudo da cor; determinação da umidade, atividade de água e densidade; investigação das propriedades de sorção de água; análises térmicas; e morfologia dos pós. O maior rendimento de encapsulação (88,01%) e a maior viabilidade de bifidobactérias durante 120 dias de armazenamento a 25 °C foram observados para o pó oriundo de leite sem lactose com inulina. Por outro lado, o pó constituído de leite sem lactose e oligofrutose foi o que apresentou melhor sobrevivência do probiótico após passar por condições gastrointestinais simuladas in vitro. Do mesmo modo, ao avaliar todas as propriedades físico-químicas dos pós, foi observado que as formulações que continham os prebióticos foram as que resultaram em características mais desejáveis de estabilidade térmica, umidade e atividade de água. Contudo, não concluiu-se que o pó constituído unicamente de leite sem lactose tenha apresentado propriedades insatisfatórias e/ou inaceitáveis. Por exemplo, sob temperaturas de refrigeração, estabilidade microbiana também foi alcançada por 120 dias de estocagem. Igualmente, ao avaliar as propriedades térmicas, constatou-se que este pó foi estável até ~130 ºC. Em relação à sorção de água, suas características foram semelhantes às do pó obtido de leite com inulina; ou seja, condições de umidade relativa acima de 33% não são indicadas para manter a estabilidade físico-química desses pós ao longo do armazenamento. Foi por causa desse conjunto de informações que o pó probiótico à base de leite sem lactose foi escolhido (assim como os demais) para ser estudado na segunda parte desta tese: aplicação dessas micropartículas em um produto lácteo sem lactose. Este produto foi desenvolvido de forma a obter um leite fermentado tipo skyr, que é um alimento típico da Islândia. Se trata de um leite fermentado concentrado e que portanto, apresenta alto teor de proteína e quantidade desprezível de gordura. Assim, foram preparadas quatro formulações de leite fermentado concentrado: três delas contendo cada pó probiótico, e uma formulação contendo a bifidobacteria no estado livre (denominada amostra controle). Como já esperado, a inserção dos pós no leite fermentado modificou algumas propriedades, como o pH, acidez, e firmeza. Por causa dessas características, os produtos adicionados dos pós probióticos foram relatados como as melhores formulações para o desenvolvimento de um novo iogurte probiótico concentrado sem lactose. A terceira e última parte trabalhada nesta tese foi o emprego da crioconcentração no leite desnatado sem lactose. Foi uma etapa realizada em parceria com a Universitat Politècnica de Catalunya (Espanha). Investigou-se a crioconcentração do leite utilizando duas técnicas em conjunto: crioconcentração progressiva como sendo um primeiro estágio do processo, e crioconcentração em bloco assistida por vácuo como sendo o segundo estágio. A condição otimizada para o primeiro estágio foi encontrada utilizando uma temperatura do líquido refrigerante a ? 5 ºC, agitação mecânica de 1035 rpm, e tempo de ensaio de 58 min. Escolhida essa condição (na qual têm-se como produtos as frações gelo e concentrado), o segundo estágio foi aplicado no gelo. Assim, a fração concentrada obtida ao final de todo o processo continha teores de 6.7 g 100 g?1 e 10.24 g 100 g?1 de proteína e carboidrato, respectivamente. Finalmente, acredita-se que este trabalho é inovador quanto à principal matéria-prima (leite sem lactose), e quanto à utilização desta matéria-prima em processos de microencapsulação e crioconcentração. O leite é um alimento rico e de alto valor nutritivo; assim, o constante estudo desse alimento auxilia na criação de produtos inovadores e que atendam às demandas/exigências da sociedade.

Abstract: It is estimated that lactose intolerance (whether temporary or permanent) afflicts a considerable part of the world population. The numbers reported in the literature vary between 65 and 75%. Seeking to create alternatives for this demand, as well as simply offering new possibilities for those who do not wish to consume lactose, this work investigated the potential of lactose-free milk in emerging and innovative technologies. In this sense, the experimental work was carried out in three major steps: First, lactose-free skimmed milk was used as an encapsulation matrix for a probiotic bacteria (Bifidobacterium BB-12). Not only milk, but also prebiotic carbohydrates (oligofructose and inulin) were used in the microencapsulation process by spray drying. The powders obtained were subjected to analyzes of encapsulation yield, microbial viability during storage (refrigeration temperature and room temperature), and probiotic survival during passage through the gastrointestinal system. In a second moment, the powders were also characterized in terms of their physicochemical properties. For this, extensive evaluations were made, including: study of color; determination of moisture, water activity and density; investigation of water sorption properties; thermal analysis; and morphology of the powders. The highest encapsulation yield (88.01%) and the highest viability of bifidobacteria during 120 days of storage at 25 °C were observed for the powder from lactose-free milk and inulin. On the other hand, the powder consisting of lactose-free milk and oligofructose showed the best survival of the probiotic after undergoing in vitro simulated gastrointestinal conditions. Likewise, when evaluating all the physicochemical properties of the powders, it was observed that the formulations containing the prebiotics were the ones that resulted in the most desirable characteristics of thermal stability, moisture and water activity. However, it was not concluded that the powder consisting only of lactose-free milk had unsatisfactory and/or unacceptable properties. For example, under refrigeration temperatures, microbial stability was also achieved for 120 days of storage. Also, when evaluating the thermal properties, it was found that this powder was stable up to ~130 °C. Regarding water sorption, its characteristics were similar to those of powder obtained from milk and inulin; that is, relative humidity conditions above 33% are not indicated to maintain the physicochemical stability of these powders throughout storage. Because of this set of information, the probiotic powder based on lactose-free milk was chosen (as well as the others) to be studied in the second part of this thesis: application of these microparticles in a lactose-free dairy product. This product was developed in order to obtain a Skyr-style fermented milk, which is a typical food from Iceland. It is a concentrated fermented milk and therefore has a high protein content and is fat-free. Thus, four concentrated fermented milk formulations were prepared: three of them containing each probiotic powder, and a formulation containing bifidobacteria in the free state (called control sample). As expected, the inclusion of powders in fermented milk changed some properties, such as pH, acidity, and firmness. Because of these characteristics, the products added of the probiotic powders were reported as the best formulations for the development of a new lactose-free concentrated probiotic yogurt. The third and last part worked in this thesis was the use of freeze concentration in lactose-free skimmed milk. It was a stage carried out in partnership with the Universitat Politècnica de Catalunya (Spain). Milk freeze concentration was investigated using two techniques together: progressive freeze concentration as the first stage of the process, and vacuum-assisted block freeze concentration as the second stage. The optimized condition for the first stage was found using a coolant temperature at ?5 °C, mechanical agitation of 1035 rpm, and an assay time of 58 min. After choosing this condition (in which the ice and concentrate fractions are the products), the second stage was applied to ice. Thus, the concentrated fraction obtained at the end of the entire process had contents of 6.7 g 100 g?1 and 10.24 g 100 g?1 of protein and carbohydrate, respectively. Finally, it is believed that this work is innovative in terms of the main raw material (lactose-free milk), and in terms of the use of this raw material in microencapsulation and freeze concentration processes. Milk is a rich food with high nutritional value; thus, the constant study of this food helps in the creation of innovative products that meet the demands/requirements of society.